颜伟第一章电力系统基本概念.ppt

1 电力系统稳态分析 教师 颜伟教授博士生导师电话 65112300 o 13452319187 2 教学目标 使学生掌握知识 基本概念 基本方法使学生学会学习 主动学习 围绕问题学习 学会查找解决问题的资源 学会利用现有资源以解决问题 学习能力 使学生享受学习的过程 学习如游戏 享受 过关斩将 的快乐 享受知识增加 能力提高的快乐 大学生拥有什么 身体 精力 时间 大学生缺少什么 知识 能力 朋友 名利幸福是什么 身体健康 精神快乐 3 课程教学的管理办法 本课程的综合成绩由两部分组成 考试卷面成绩占70 平时成绩占30 其中 上课出勤占5 课后答疑5 课堂作业10 课后作业占10 每周交一次课后作业 交作业时间 每周星期1上课之前 过时不候 课堂作业随堂提交 上课初期 每周答疑一次 要求学生提供统一的答疑时间 考试前两周 每周答疑2 3次上课期间 不准开手机铃声 且不准接听手机 无故缺席1 3课时 取消考试资格 4 陈珩主编 陈怡万秋兰高山修订 电力系统稳态分析 第三版 中国电力出版社 2007 4 华智明 电力系统稳态计算 重庆大学出版社 1995 11 教材及参考资料 5 第一章电力系统的基本概念 重点内容和难点内容 重点内容 基本概念 1 电力系统 电力网络 线损率 煤耗率 畸变率 2 电能生产 输送 消费的特点 3 对电力系统运行的基本要求 4 电力系统的电气接线图 5 电力元件的额定电压 6 电力系统的中性点 难点内容 电力元件的额定电压 6 第一章电力系统的基本概念 本章主要内容的相互关系 发电设备输配电设备电能消耗设备 电力系统 构成 特点 电能生产 输出 消费的特点 运行要求 运行的经济 建设的经济交易的经济 网损率煤耗率 波形频率电压 设备额定电压 负荷分级 电网结构中性点 线路和变压器 决定 电网强壮 电源充足运行安全 可靠 优质 经济 环保 发电机 负荷 7 第一章电力系统的基本概念 思考题 什么是电力系统 Page 2什么是电力网络 Page 2电能生产 输送 消费的特点是什么 Page 5对电力系统运行的基本要求是什么 Page 5根据可靠性要求负荷分为几级 具体有何区别 Page 6电能质量有那些指标 Page 6什么是畸变率 Page 6什么是煤耗率 Page 7 8 第一章电力系统的基本概念 思考题 什么是线损率或网损率 Page 7保证系统运行的经济性有那些措施 Page 7单一电力系统的互联有那些优点 Page 7有备用结线方式与无备用结线方式分别有那些 Page 7用电设备 线路 发电机和变压器的额定电压是如何定义的 Page 8什么是电力系统的中性点 Page 10电力系统中性点的运行方式有那些 分别有何特点及适用范围 Page 10 9 第一章电力系统的基本概念 1 1电力系统概述F1我国电力工业和电力系统简介 补充 1 2电力系统运行应满足的基本要求 1 3电力系统的结线方式和电压等级 1 4电力系统工程学科和电力系统分析课程 10 1 1电力系统概述 1 1 1电力系统的形成和发展1 1 2近代电力系统1 1 2 1近代电力系统现状1 1 2 2电力系统的定义1 1 2 3电力系统和电力网络示意图1 1 3电力系统的基本参量和结线图 11 1 1 1电力系统的形成和发展 1831年法拉第发现了电磁感应定律 在此基础上 很快出现了原始的交流和直流发电机与直流电动机 1882年第一次出现了高压输电 1500 2000V 1885年在制成变压器的基础上 实现了单相交流输电 1891年在制成三相变压器和三相异步电动机的基础上 实现了三相交流输电 12 1 1 1电力系统的形成和发展 续 1891年的输电系统 包括发电机组 水轮机 升压变压器 输电线路 降压变压器 负荷 异步电动机和白炽灯 规模为25kV 230kVA 178km 三相交流迅速发展 淘汰直流输电 汽轮发电机组取代以蒸汽机为原动机的发电机组 产生并列运行的发电厂 输电电压 输送距离和输送功率不断增大 大规模互联电力系统 近代 过程 直流 交流 单相 三相 低压 高压蒸汽机 汽轮机 单机系统 并列互联系统 13 1 1 2 1近代电力系统现状 输电电压高 输送距离远和输送功率大 电源及负荷构成复杂 运行管理自动化程度高 当前电力系统状态 交流输电电压1000kV 直流 800kV 输送距离大于1000km 输送功率大于5000MW 单一电力系统的最大总装机容量大于400GW 14 1 1 2 2电力系统的定义 广义的电力系统 是由锅炉 反应堆 汽轮机 水轮机 发电机等生产电能的设备 发电设备 变压器 电力线路等变换 输送 分配电能的设备 输变电设备 电动机 电热电炉 电灯等各种消耗电能的设备 负荷 以及测量 保护 控制装置乃至能量管理系统所组成的统一整体 是一个十分庞大而复杂的研究对象 简称 发 输 配和用电 电力系统中 由变压器 电力线路等变换 输送 分配电能设备所组成的部分常称电力网络 15 1 1 2 3电力系统和电力网络示意图 电力元件示意图 发电机 实际负荷 交流线路 直流线路 双绕组变压器 三绕组变压器 自耦变压器 等值负荷 母线 16 1 1 3电力系统的基本参量和结线图概念 总装机容量 指该系统中实际安装的发电机额定有功功率的总和 单位 千瓦 kW 兆瓦 MW 吉瓦 GW 我国 万千瓦年发电量 指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和 单位 兆瓦 时 MW h 吉瓦 时 GW h 太瓦 时 TW h 我国 亿度最大负荷 指规定时间 如一天 一月或一年内 电力系统总有功功率负荷的最大值 单位 千瓦 kW 兆瓦 MW 吉瓦 GW 我国 万千瓦 17 1 1 3电力系统的基本参量和结线图概念 续 额定频率 国家标准规定 我国所有交流电力系统的额定频率均为50Hz 国外则有额定频率为60Hz或25Hz的电力系统 最高电压等级 指该系统中最高电压等级电力线路的额定 线 电压 以千伏 kV 计 地理结线图 主要显示该系统中发电厂 变电所的地理位置 电力线路的路径 以及它们相互间的联结 电气结线图 主要显示该系统中发电机 变压器 母线 断路器 电力线路等主要电机 电器 线路之间的电气结线 18 电气结线图 电气结线图的图元符号电力系统电气结线图发电厂电气结线图变电站电气结线图 19 允许斜线 20 电气接线图的图元符号 交流线 水平线 垂直线 或折线 母线 水平或垂直线元件之间的联结节点 断路器 隔离开关 闭合 断开 综合负荷 21 电力系统的电气结线图 发电机 实际负荷 交流线路 直流线路 双绕组变压器 三绕组变压器 自偶变压器 等值负荷 母线 折线图 22 变电站结线图 23 发电厂结线图 24 F1我国电力工业和电力系统简介 补充 F1 1装机容量及年发电量的增长状况F1 2电力工业的基本特点F1 3电力工业的发展方针F1 4我国电力工业的机构改革 25 F1 1全国装机容量及年发电量的增长状况 重庆2004年装机容量 4880MW最大负荷 4423 8MW售电量 20 4TW h全国的1 平均增长速度 10 左右 26 F1 2我国电力工业的基本特点 装机容量和年发电量逐年递增 电网建设滞后于电源建设 电力系统的发展滞后于国民经济的发展 局部时期的缺电问题比较严重 供电可靠性较低 能源格局 原煤资源主要在华北地区 分布在山西 内蒙古和陕西 约占总量2 3 90 以上的水源在西部地区 电力发展策略 西电东送 北电南送 将建设大量的超高压输电线路和直流输电线路 全国性联合电力系统的出现 三峡电厂全面建成 促成全国联网形成 26台机组 单台额定容量700MW 其规模 居世界水电厂之最 27 F1 3我国电力工业的发展方针 继续发展燃煤火电厂 并提高这类电厂的效率 环保问题 淘汰小容量机组 建设大机组 加速水力资源的勘察和水电厂建设 生态问题 加紧建设高压输电线路和电力系统 资金 占地问题 及早掌握原子能发电技术 以创造条件建设更多原子能发电厂 安全问题 必由之路 因地制宜 利用其它再生能源发电 补充 依赖技术进步 前沿研究方向 28 F1 4我国电力工业的机构改革 原国家电力公司系统解体 实现 厂网分开 在发电环节 形成5家发电集团公司 中国华能集团公司 中国大唐集团公司 中国华电集团公司 中国国电集团公司和中国电力投资集团公司 逐步实行 竞价上网 在电网环节 形成2家电网公司 即中国南方电网 国家电网公司有限责任公司 后者下设华北 东北 华东 西北和华中5个区域电网公司 在电力设计 修造 施工等辅助环节 形成4家辅业集团公司 即中国电力工程顾问集团公司 中国水电工程顾问集团公司 中国水利水电建设集团公司和中国葛洲坝集团公司 29 30 31 32 33 34 35 华中电网公司 36 1 2电力系统运行应满足的基本要求 1 2 1电能生产 输送 消费的特点 1 2 2对电力系统运行的基本要求 1 2 3电力系统的四个技术指标 补充 1 2 4单一电力系统的联合 Page 7 37 1 2 1电能生产 输送 消费的特点 电能与国民经济各个部门之间的关系密切 电能的重要性 国家安全防御体系的重要环节电能不能大量储藏 必须时刻保持发用电功率平衡生产 输送 消费电能各环节所组成的统一整体不可分割电能生产 输送 消费的工况改变迅速 毫秒 纳秒级 要求电力系统的运行高度自动化 电能质量要求严格 电能质量指标 电压 频率和波形 38 1 2 2对电力系统运行的基本要求 1 2 2 1保证可靠地持续供电 可靠1 2 2 2保证良好的电能质量 优质1 2 2 3保证系统运行的经济性 经济1 2 2 4环保要求日益严格 环保废水 废气 灰尘 噪声 电磁干扰 39 1 2 2 1保证可靠地持续供电 按对供电可靠性的要求将负荷分为三级 三级负荷 第一级负荷 对这一级负荷中断供电 将造成人身事故 设备损坏 将产生废品 使生成秩序长期不能恢复 人民生活发生混乱等 双电源 不允许断电 第二级负荷 对这一级负荷中断供电 将造成大量减产 将使人民生活受到影响等 两回线 尽可能不断电 第三级负荷 所有不属于第一 二级的负荷 如工厂的附属车间 小城镇等 可以单回线 允许断电 什么是供电可靠性 40 1 2 2 2保证良好的电能质量 电压 频率和波形指标 允许电压偏移为额定值的 5 允许频率偏移为 0 2 0 5Hz 波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量 畸变率 或正弦波形畸变率 是指各次谐波有效值平方和的均方根值与基波有效值的百分比 给定的允许畸变率常因供电电压等级而异 例如 以380 220V供电时为5 以10kV供电时为4 等等 41 1 2 2 3保证系统运行的经济性 两个重要指标 1 煤耗率 每发一度电所消耗的标准煤重 发电厂 2 线损率或网损率 电力网络中损耗的电能与向电力网络供应电能的百分比 电网保证系统运行经济性的措施 1 充分利用水能和其它可再生能源 2 合理安排发电计划 提高发电效率 3 使网络中的功率分布合理 降低网损 42 1 2 3电力系统的四个技术指标 补充 发电设备利用率 或发电设备平均利用小时数 发电设备全年所发电能与发电设备容量之比 负荷率 全年平均负荷与最大负荷的百分比 电压合格率 系统中所有电压监视点定时测得的合格电压次数与全部测量次数的百分比 频率合格率 系统频率合格的时间长度与全年时间长度的百分比 43 1 2 4单一电力系统联合的优点 Page7 提高供电可靠性 减少为防止设备事故引起供电中断而设置的备用容量 提高供电可靠性可更合理地调配用电 降低联合系统最大负荷的比例 提高发电设备的利用率 减少联合系统中发电设备的总容量 提高发电设备投资的经济性可更合理地利用系统中各种类型的发电厂 同时 联合电力系统容量很大 个别机组的开停甚至故障 对系统的影响将减小从而可采用大容量 高效率的机组 从而提高系统运行的经济性 提高发电设备及电网运行的经济性由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减小 其波动对系统电能质量的影响也将减小 提高电能质量 44 1 3电力系统的结线方式和电压等级 1 3 1几种典型结线方式的特点 1 3 2不同电压等级的适用范围 1 3 3电力系统中性点的运行方式 45 1 3 1几种典型结线方式的特点 无备用结线方式 单回线的放射式 干线式和链式 简单 经济运行方便 但供电可靠性差有备用结线方式 其中 双回线的放射式 干线式和链式的特点是供电可靠性和电压质量高 但可能不够经济 环式结线经济性较好 供电可靠性高 但运行调度复杂 且故障时电压质量差 两端供电方式的可靠性 经济性和电压质量都可以保证 但必须要求有两个或以上独立电源 什么为有备用 无备用 46 图1 2无备用结线方式 b a 放射式 b 干线式 c 链式 47 图1 3有备用结线方式 a 放射式 b 干线式 c 链式 d 环式 e 两端供电式 48 1 3 2不同电压等级的适用范围 1 3 2 1电力系统的额定电压等级 1 3 2 2电力元件的额定电压 1 3 2 3不同电压等级的适用范围 49 1 3 2 1电力系统的额定电压等级 用电设备 线路 的额定线电压 三相功率S 线电压U和线电流I之间的关系为功率一定 电压越高 电流越小 损耗越小 相同损耗时导线截面积越小 投资越小 但电压越高 对绝缘的要求越高 杆塔 变压器 断路器等绝缘的投资也愈大 综合考虑上述因素 对应于一定的输送功率和输送距离应有一最合理的线路电压 我国国家标准规定的标准电压 又称额定电压 见课本表1 1所示Page 9 考虑生产的系列性 选择电力线路的额定电压时 只能选用国家规定的电压等级 50 24 24 无 51 1 3 2 2电力元件的额定电压 用电设备 线路和发电机的额定电压变压器的额定电压电力系统的额定电压等级示例 原问题电力系统的额定电压等级示例 结果 52 1 3 2 2电力元件的额定电压 用电设备 线路和发电机 用电设备和线路的额定电压线路的额定电压就是线路的平均电压 等于与其相联的用电设备额定电压 用电设备的容许电压偏移一般为 5 而沿线路的电压降落一般为10 这就要求线路始端电压为额定值的105 以使其末端电压不低于额定值的95 发电机的额定电压发电机往往接在线路始端 因此 发电机的额定电压为线路额定电压的105 53 1 3 2 2电力元件的额定电压 变压器 变压器额定电压变压器一次侧接电源 相当于用电设备 二次侧向负荷供电 又相当于发电机 因此变压器一次侧额定电压应等于用电设备额定电压 直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压应等于发电机额定电压 二次侧电压应较线路额定电压高5 但又因变压器二次侧电压规定为空载时的电压 而额定负荷下变压器内部的电压降落约为5 为使正常运行时变压器二次侧电压较线路额定电压高5 变压器二次侧额定电压应较线路额定电压高10 只有漏抗很小的 二次侧直接与用电设备相联的和电压特别高的变压器 其二次侧额定电压才可能较线路额定电压仅高5 54 1 3 2 2电力元件的额定电压 电力系统的额定电压等级示例 原问题 55 1 3 2 2电力元件的额定电压 电力系统的额定电压等级示例 结果 56 1 3 2 3不同电压等级的适用范围 110kV以下的电压级差应超过三倍 如110 35 10kV 以上电压级差两倍左右 如110 220 500kV 输电网 1000 750 500 330 220kV配电网 高压配电网 220 110 35kV 地调与县调主网 中压配电网 10 20 6 kV低压配电网 380 220V 2 额定电压与输送功率 输送距离的关系 总趋势是输送功率越大 输送距离越远 电压等级越高 具体方案需要技术经济比较Page 10 57 1 3 3电力系统中性点的运行方式 电力系统的中性点 星形联结变压器或发电机的中性点 电力系统中性点的运行方式十分复杂 它关系到绝缘水平 通信干扰 接地保护方式 电压等级 系统结线等多方面 中性点运行方式的分类 直接接地和不接地直接接地和不接地方式的比较 特点及适用范围不接地方式的电容电流与消弧线圈接地方式 58 直接接地和不接地系统的比较 特点 直接接地系统供电可靠性低 但对设备绝缘要求较低 经济性较好 不接地系统供电可靠性高 但对绝缘水平的要求也高 不接地系统中一相接地时 不构成短路回路 接地相电流不大 不必切除接地相 但这时非接地相的对地电压却升高为相电压的倍 59 直接接地和不接地系统的比较 适用范围 在电压等级较高的系统中 绝缘费用在设备总价格中占相当大比重 降低绝缘水平带来的经济效益很显著 所以一般采用中性点直接接地方式 而以其它措施提高供电可靠性 反之 在电压等级较低的系统中 一般采用中性点不接地方式以提高供电可靠性 在我国 110kV及以上的系统中性点直接接地 60kV及以下的系统中性点不接地 在国外 由于通常都采用有备用结线方式 供电可靠性有保障 因此60kV及以下的系统中性点往往也直接接地 60 不接地系统的电容电流 A相接地时 BC相对A相的线电压等于其对地电压 A相接地电流等于BC相对地电容电流之和 61 中性点经消弧线圈接地的条件及补偿方式 一般认为 对3 60kV网络 单相接地容性电流超过如下值时 3 6kV 30A 10kV 20A 35 60kV 10A 应采用中性点经消弧线圈接地方式 以减小单相接地电流 因为接地电流过大 可能使接地点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压 甚至发展成严重的系统性事故 该方式隶属于中性点不接地方式 中心点经消弧线圈接地时 有过补偿和欠补偿两种方式 过补偿 感性补偿电流大于容性接地电流欠补偿 感性补偿电流小于容性接地电流实践中 一般采用过补偿方式 62 中性点经消弧线圈接地的单相接地电流 63 1 4电力系统方向和电力系统分析课程 1 4 1电力学科包括的主要内容1 4 2电力系统分析课程的主要内容 64 1 4 1电力学科包括的主要内容 电力系统理论 电力学科的基础 输配电技术 超高压输电线路 直流输电系统等的设计 安装问题电力系统规划 负荷规划 预测 电源规划 网络规划 可靠性分析等电力系统运行 稳态和暂态及安全性分析 电能质量管理 运行方式优化等电力系统保护 故障分析 元件保护 线路保护 系统性故障保护和过电压及其防护等电力系统控制 数据采集 电能质量控制 运行优化控制 安全性控制 能量管理系统等问题 65 1 4 2电力系统分析课程的主要内容 包括电力系统稳态分析和电力系统暂态分析 电力系统稳态分析 电力系统的基本知识 元件的特性和数学模型 正常运行工况的分析和计算 调节和优化 电力系统暂态分析的主要内容 电磁暂态和机电暂态过程 电力系统暂态过程 波过程 电磁暂态过程 机电暂态过程 其中 波过程主要与运行操作或雷击时的过电压有关 涉及电流 电压波的传播 过程最短 主要在高电压课程中讨论 电磁暂态过程主要涉及短路时的电流 电压随时间的变化过程 时间比波过程长 机电暂态过程主要与系统振荡 稳定性的破坏 异步运行等有关 涉及功率 功率角 旋转电机的转速等随时间的变化 这个过程持续时间比前面两个过程都长 66 模糊概念 电力系统的额定电压等级是用电设备 包括发电机或变压器 的额定电压 电力元件的额定电压可以是相或线电压 线损率或网损率 电力网络中损耗的功率与向电力网络输送功率的百分比发电设备利用率 发电设备全年的运行时间与其全年时间之比 负荷率 全年最小负荷与最大负荷的百分比 装机容量和最大负荷的单位是MVA 67 地理接线图电气接线图 变电站A 发电厂A 1台发电机 一台双绕组升压变 一台三绕组降压变 地理结线图 绘制电气接线图 68 电气接线图 G 母线结点节点 发电机线路变压器负荷 电力元件之间的连接点 电力元件